CN109944700A - 燃气轮机与燃料电池联合发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机与燃料电池联合发电系统及其运行方法。系统包括燃气轮机和燃料电池，燃气轮机的燃烧室包括富燃燃烧室和贫燃燃烧室。启动时，空气进入压气机压缩后一部分进入富燃燃烧室，与燃料发生部分氧化的富燃反应生成高温合成气，高温合成气进入贫燃燃烧室，与另一部分压缩空气反应产生高温烟气，进入涡轮并带动发电机发电。正常运行时，富燃燃烧室产生的高温合成气进入燃料电池阳极，与进入燃料电池阴极的空气发生高温电化学反应实现发电。变工况运行时，富燃燃烧室产生的高温合成气主要进入贫燃燃烧室，从而利用燃气轮机优异的变工况性能。本发明具有启动快速、运行调节灵活等优点。

Description

燃气轮机与燃料电池联合发电方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机与燃料电池联合发电方法，属于发电技术领域。

背景技术

燃料电池是一种可以直接将燃料化学能转化为电能最有效的装置之一，其能量转换效率不受卡诺循环限制，理论上可以高达80％。燃料电池以其更高的能量利用效率，低排放，低噪声等特点，被国际能源界认为是21世纪最具有吸引力的发电方式之一。但是燃料电池目前在大功率发电领域主要存在以下两个缺点：一是启动慢且变工况性能差；二是对燃料要求较高，常规的碳氢燃料(如天然气、柴油)不能直接被燃料电池利用，需要先将碳氢燃料重整生成一氧化碳和氢气，再输送到燃料电池中。对于燃料电池，重整方式主要有蒸汽重整和部分氧化重整，这些重整反应需要较高的温度。目前，无论重整反应在燃料电池内部还是外部，都需要足够长的预热时间，从而导致燃料电池启动慢以及变工况性能差。此外，燃料电池在独立运行时，燃料并不能完全反应会有残余，同时燃料电池尾气中会有高品位的废热，因此其效率潜能往往不能充分发挥。

燃气轮机是一种成熟的动力设备，其发电经济性高、排放低且变工况性能好，但其发电效率受卡诺循环的限制而相对燃料电池较低。

为了提高发电效率，目前一种比较前沿的技术是将燃气轮机与燃料电池联合发电，该技术因其高效低排放的特点，受到了很多研究学者的关注。目前的一些燃气轮机与燃料电池联合发电研究主要集中在如何提高发电效率，比如通过燃气轮机对燃料电池的残余燃料以及高品位废热进行利用，但是对提高发电系统的启动与变工况性能研究较少。

发明内容

本发明旨在提供燃气轮机与燃料电池联合发电系统及其运行方法，将燃料电池与燃气轮机的优缺点进行互补，能够大幅提高系统的发电效率，同时利用燃气轮机可以让联合发电系统快速启动，并具有更好的变工况性能。

本发明通过以下技术方案实现：

一种燃气轮机与燃料电池联合发电系统，包括压气机、涡轮、发电机和燃料电池，所述压气机与涡轮、发电机之间通过轴连接，所述涡轮与发电机相连，所述燃料电池包括阴极和阳极，所述系统还包括富燃燃烧室和贫燃燃烧室，所述压气机分别与所述富燃燃烧室、贫燃燃烧室和燃料电池阴极相连；所述富燃燃烧室和贫燃燃烧室之间设有分离阀相连，所述分离阀与所述燃料电池阳极之间相连；所述燃料电池的阴极与阳极通过混合阀与所述贫燃燃烧室相连；所述贫燃燃烧室与所述涡轮相连；所述富燃燃烧室连接有燃料源。

上述技术方案中，所述压气机与所述贫燃燃烧室之间的连接管道上设有第一阀门；所述压气机与所述富燃燃烧室之间的连接管道上设有第二阀门；所述压气机与所述燃料电池阴极之间的连接管道上设有第四阀门；所述燃料源与所述富燃燃烧室之间的连接管道上设有第三阀门。

上述技术方案中，所述分离阀与所述燃料电池阳极之间的连接管路上设有换热器，且所述换热器同时设置在所述压气机与燃料电池阴极之间的连接管路上。

上述技术方案中，所述涡轮出口端连接有余热利用装置。

燃气轮机与燃料电池联合发电系统启动运行方法，包括：

使空气进入压气机被压缩；

使压气机压缩后的一部分空气进入富燃燃烧室，与来自燃料源的燃料发生非催化氧化重整反应，并通过调节富燃燃烧室内反应物的当量比，使得燃料与空气发生部分氧化反应重整生成含一氧化碳和氢气的高温合成气；

使富燃燃烧室生成的高温合成气通过分离阀分进入贫燃燃烧室作为燃料；使压气机压缩后的一部分空气进入贫燃燃烧室与作为燃料的一部分高温合成气发生反应，产生高温烟气；

使贫燃燃烧室产生的高温烟气分别进入涡轮推动涡轮做功，并带动发电机发电，实现系统快速启动。

上述技术方案中，所述高温烟气推动涡轮做功后，进入余热利用装置进一步吸收烟气中的余热。

燃气轮机与燃料电池联合发电方法，所述方法包括：

使空气进入压气机被压缩；

使压气机压缩后的一部分空气进入富燃燃烧室，与来自燃料源的燃料发生非催化氧化重整反应，并通过调节富燃燃烧室内反应物的当量比，使得燃料与空气发生部分氧化反应重整生成含一氧化碳和氢气的高温合成气；

使富燃燃烧室生成的高温合成气通过分离阀进入燃料电池阳极；使压气机压缩后的一部分空气进入燃料电池阴极，使高温合成气与空气在高温高压下发生电化学反应实现发电，并生成高温烟气；

使燃料电池内产生的高温烟气进入贫燃燃烧室，在贫燃燃烧室继续燃烧将高温烟气中含有的剩余燃料进一步燃尽，再进入涡轮推动涡轮做功。

上述技术方案中，所述分离阀与所述燃料电池阳极之间的连接管路上设有换热器，且所述换热器同时设置在所述压气机与燃料电池阴极之间的连接管路上，所述方法包括：

使富燃燃烧室生成的高温合成气通过分离阀通往燃料电池，通过换热器换热降温后进入燃料电池阳极；

使压气机压缩后的一部分空气通过换热器与高温合成气换热升温后进入燃料电池阴极；

使降温后的合成气与升温后的空气在高温高压下发生电化学反应实现发电，并生成高温烟气。

上述技术方案中，所述高温烟气进入涡轮推动涡轮做功后，进入余热利用装置进一步吸收烟气中的余热。

上述技术方案中，所述燃料电池中温度>600℃、压力>20atm。

本发明具有以下优点及有益效果：1)利用富燃燃烧室对碳氢燃料进行处理，并在预热燃料电池的同时利用燃气轮机与余热利用装置进行发电，实现了发电系统的快速启动；2)通过燃气轮机推动的发电机可以克服燃料电池变工况性能差的缺点，实现灵活变工况运行。

附图说明

图1为本发明所涉及的燃气轮机与燃料电池联合发电系统示意图。

图中：1–压气机；3–富燃燃烧室；4–贫燃燃烧室；5–涡轮；6–发电机；7–余热利用装置；8–换热器；9–变换器；10–燃料电池；11–燃料源；21–第一阀门；22–第二阀门；23–第三阀门；24–第四阀门；25–分离阀；26–混合阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

如图1所示，燃气轮机与燃料电池联合发电系统，包括燃气轮机和燃料电池10，以及余热利用装置7。燃气轮机包括压气机1、涡轮5、发电机6以及富燃燃烧室3和贫燃燃烧室4。贫燃燃烧室4选用筒形燃烧室。压气机1与涡轮5、发电机6之间通过轴连接。

燃料电池10为高温燃料电池，包括固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，简称MCFC)等。燃料电池10设有阴极和阳极，阴极和阳极之间通过电解质传递电子。固体氧化物燃料电池由若干单体组成，其单体主要组成部分包括电解质(electrolyte)、阳极或燃料极(anode，fuel electrode)、阴极或空气极(cathode，air electrode)和连接体(interconnect)或双极板(bipolar separator)。SOFC中的电解质为固体氧化物氧离子导体(如氧化锆)，氧原子在阴极表面得到电子并还原为氧离子，氧离子通过电解质转移到燃料所在的阳极侧与合成气发生反应，并向外电路释放电子输出电能。熔融碳酸盐燃料电池包括多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极和金属极板，其电解质是熔融态的混合碳酸盐，氧气在阴极和二氧化碳作用并捕获电子，生成碳酸根离子进入电解质并扩散至阳极，合成气在阳极与电解质中的碳酸根离子作用生成水和二氧化碳，同时释放电子输出电能。燃料电池10还连接有AC/DC变换器9，能够把燃料电池10产生的直流电转变成交流电。

压气机1分别与富燃燃烧室3、贫燃燃烧室4和燃料电池10阴极相连，连接管道上分别设有第一阀门21、第二阀门22和第四阀门24。首先使空气进入压气机1被压缩做功，带动涡轮5做功。

富燃燃烧室3连接有燃料源11。燃料源11与富燃燃烧室3之间的连接管道上设有第三阀门23。

富燃燃烧室3和贫燃燃烧室4之间设有分离阀25相连。分离阀25与燃料电池10阳极之间设有连接管路，连接管路上设有换热器8，且换热器8同时设置在压气机1与燃料电池10阴极之间的连接管路上。

燃料电池10的阴极与阳极通过混合阀26与贫燃燃烧室4相连。贫燃燃烧室4与涡轮5相连，涡轮5出口端连接有余热利用装置7。

系统启动时，第一阀门21、第二阀门22和第三阀门23开启，第四阀门24和混合阀26关闭，分离阀25只开通从富燃燃烧室3到贫燃燃烧室4的方向。此时，压气机1压缩的空气分别通过第一阀门21和第二阀门22进入贫燃燃烧室4和富燃燃烧室3。通过控制第二阀门22的开度，调节进入富燃燃烧室3的空气和燃料当量比，使富燃燃烧室3内形成温度稳定、燃料过量的富燃料燃烧，将反应混合物通过部分氧化转化为含有一氧化碳与氢气的高温合成气。高温合成气通过分离阀25全部进入贫燃燃烧室44，与从压气机1压缩后进入贫燃燃烧室44的空气进一步燃烧完全，产生的高温燃气推动涡轮5做功，从而实现发电系统的快速启动。

系统启动后进入正常运行，此时关闭第一阀门21，打开第四阀门24和混合阀26，并使分离阀25切换到通向燃料电池10的方向。使压气机1压缩后的一部分空气进入富燃燃烧室3，与来自燃料源源11的燃料发生反应，并通过调节富燃燃烧室3内反应物的当量比，使得燃料与空气发生部分氧化反应重整生成含一氧化碳和氢气的高温合成气。高温合成气通过分离阀25进入燃料电池10阳极，并在此过程中与从压气机1通往燃料电池10阴极的空气在换热器8中进行热交换。使降温后的合成气与升温后的空气在高温高压(温度>600℃、压力>20atm)下发生电化学反应实现发电，并生成高温烟气。燃料电池输出的直流电能通过AC/DC变换器9转换为交流电能。

系统正常运行工况下，发电系统的输出电能主要来源于燃料电池10，由于燃料电池10的发电效率很高，系统达到最高的能源利用率(至少70％)。由于燃料电池内部电化学反应后可能会有燃料残余，为避免燃料的浪费，同时也减少污染物排放，将燃料电池出口的高温烟气送进贫燃燃烧室4，并使压气机压缩后的一部分空气进入贫燃燃烧室4将高温烟气进一步燃烧使高温烟气中含有的剩余燃料进一步燃尽，然后再进入涡轮5做功。高温燃尽烟气进入涡轮5后再进入余热利用装置7，进一步利用余热利用装置7回收热量，提供部分电能。而燃气轮机中的涡轮5输出功仅仅满足推动压气机1运行，发电机6不输出电能。

而系统进入非额定工况运行时，使富燃燃烧室3生成的高温合成气通过分离阀25分成两部分，一部分高温合成气通过换热器8换热降温后进入燃料电池10阳极，使压气机1压缩后的一部分空气换热器8与高温合成气换热升温后进入燃料电池10阴极，使降温后的合成气与升温后的空气在高温高压(温度>600℃、压力>20atm)下发生电化学反应实现发电，并生成高温烟气。

使富燃燃烧室3生成的一部分高温合成气进入贫燃燃烧室4作为燃料，同时使燃料电池10内产生的高温烟气也进入贫燃燃烧室4。此时，若来自燃料电池10的高温烟气中的氧含量足够高温合成气以及高温烟气中剩余燃料燃烧，则不需要额外通入压缩空气。如高温烟气中氧含量不够，则使压气机1压缩后的一部分空气进入贫燃燃烧室4与作为燃料的一部分高温合成气以及来自燃料电池10高温烟气发生反应，产生高温燃尽烟气。

使贫燃燃烧室4产生的高温燃尽烟气进入涡轮5推动涡轮5做功，并带动发电机6发电。

高温烟气进入涡轮5推动涡轮5做功后，进入余热利用装置7进一步吸收烟气中的余热后再处理排放。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃气轮机与燃料电池联合发电系统，所述系统包括压气机(1)、涡轮(5)、发电机(6)和燃料电池(10)，所述压气机(1)与涡轮(5)、发电机(6)之间通过轴连接，所述涡轮(5)与发电机(6)相连，所述燃料电池(10)包括阴极和阳极，其特征在于，所述系统还包括富燃燃烧室(3)和贫燃燃烧室(4)，所述压气机(1)分别与所述富燃燃烧室(3)、贫燃燃烧室(4)和燃料电池(10)阴极相连；所述富燃燃烧室(3)和贫燃燃烧室(4)之间设有分离阀(25)相连，所述分离阀(25)与所述燃料电池(10)阳极之间相连；所述燃料电池(10)的阴极与阳极通过混合阀(26)与所述贫燃燃烧室(4)相连；所述贫燃燃烧室(4)与所述涡轮(5)相连；所述富燃燃烧室(3)连接有燃料源(11)。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机与燃料电池联合发电系统，其特征在于，所述压气机(1)与所述贫燃燃烧室(4)之间的连接管道上设有第一阀门(21)；所述压气机(1)与所述富燃燃烧室(3)之间的连接管道上设有第二阀门(22)；所述压气机(1)与所述燃料电池(10)阴极之间的连接管道上设有第四阀门(24)；所述燃料源(11)与所述富燃燃烧室(3)之间的连接管道上设有第三阀门(23)。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机与燃料电池联合发电系统，其特征在于，所述分离阀(25)与所述燃料电池(10)阳极之间的连接管路上设有换热器(8)，且所述换热器(8)同时设置在所述压气机(1)与燃料电池(10)阴极之间的连接管路上。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机与燃料电池联合发电系统，其特征在于，所述涡轮(5)出口端连接有余热利用装置(7)。

5.燃气轮机与燃料电池联合发电系统启动运行方法，其使用如权利要求1所述的一种燃气轮机与燃料电池联合发电系统，其特征在于，所述方法包括：

使空气进入压气机(1)被压缩；

使压气机(1)压缩后的一部分空气进入富燃燃烧室(3)，与来自燃料源(11)的燃料发生反应，并通过调节富燃燃烧室(3)内反应物的当量比，使得燃料与空气发生部分氧化反应重整生成含一氧化碳和氢气的高温合成气；

使富燃燃烧室(3)生成的高温合成气通过分离阀(25)进入贫燃燃烧室(4)作为燃料；使压气机(1)压缩后的一部分空气进入贫燃燃烧室(4)与作为燃料的一部分高温合成气发生反应，产生高温烟气；

使贫燃燃烧室(4)产生的高温烟气进入涡轮(5)推动涡轮(5)做功，并带动发电机(6)发电，实现系统快速启动。

6.根据权利要求5所述的燃气轮机与燃料电池联合发电方法，其特征在于，所述高温烟气推动涡轮(5)做功后，进入余热利用装置(7)进一步吸收烟气中的余热。

7.燃气轮机与燃料电池联合发电方法，其使用如权利要求1所述的一种燃气轮机与燃料电池联合发电系统，其特征在于，所述方法包括：

使空气进入压气机(1)被压缩；

使压气机(1)压缩后的一部分空气进入富燃燃烧室(3)，与来自燃料源(11)的燃料发生反应，并通过调节富燃燃烧室(3)内反应物的当量比，使得燃料与空气发生部分氧化反应重整生成含一氧化碳和氢气的高温合成气；

使富燃燃烧室(3)生成的高温合成气通过分离阀(25)进入燃料电池(10)阳极；使压气机(1)压缩后的一部分空气进入燃料电池(10)阴极，使高温合成气与空气在高温高压下发生电化学反应实现发电，并生成高温烟气；

使燃料电池(10)内产生的高温烟气进入贫燃燃烧室(4)继续燃烧，将高温烟气中含有的剩余燃料进一步燃尽，再进入涡轮(5)推动涡轮(5)做功。

8.根据权利要求7所述的燃气轮机与燃料电池联合发电方法，其特征在于，所述分离阀(25)与所述燃料电池(10)阳极之间的连接管路上设有换热器(8)，且所述换热器(8)同时设置在所述压气机(1)与燃料电池(10)阴极之间的连接管路上，所述方法包括：

使富燃燃烧室(3)生成的高温合成气通过分离阀(25)通往燃料电池(10)，通过换热器(8)换热降温后进入燃料电池(10)阳极；

使压气机(1)压缩后的一部分空气通过换热器(8)与高温合成气换热升温后进入燃料电池(10)阴极；

使降温后的合成气与升温后的空气在高温高压下发生电化学反应实现发电，并生成高温烟气。

9.根据权利要求7所述的燃气轮机与燃料电池联合发电方法，其特征在于，所述高温烟气推动涡轮(5)做功后，进入余热利用装置(7)进一步吸收烟气中的余热。

10.根据权利要求7或8所述的燃气轮机与燃料电池联合发电方法，其特征在于，所述燃料电池(10)中温度>600℃、压力>20atm。